金属板料成形数值模拟的研究现状（三）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 　　6缺陷的研究　　板料成形的缺陷有起皱、开裂和回弹。　　6.1起皱　　在薄板冲压成形过程中当切向压应力达到或超过板料的临界应力时，就可能发生起皱。实际冲压成形时，一般常采用调节压边力和设置拉伸筋的方法控制拉深过程中冲压件突缘与侧壁起皱，但由此又会导致板材成形极限下降，使冲压件过早地发生破裂。特别是对于形状复杂或深度大的冲压件来说，既要保证成形形状或深度又要抑制起皱发生，在实际加工工艺中常常是比较困难的。当起皱与破裂两者发生矛盾时，起皱的抑制必须以板材不破裂为基本条件，所以防止起皱的难点在于抑制起皱成形规律的强有力工具。由于起皱经常发生在汽车的覆盖件上，形成波纹或折叠，极大地影响了表面质量，因此近年来对起皱的研究，特别是理论研究越来越多。　　起皱的形成可以由Hill的分叉准则(Hutchinson将其特别用于薄壁薄壳的情况)来预测，可以假设一个局部的分歧位移区，在这个位移区内忽略接触条件和连续性条件，就可以推导出只决定于材料性能和几何性质的临界应力。以主应力为坐标轴的起皱极限图就是依据这种方法制得的。研究表明[24]应力状态的各向异性以及进入侧壁的板料的曲率对起皱的影响最大，各向异性指数增大时，板料发生起皱时拉伸距离也变大。起皱还与坯料的长宽比有关，也与冲头冲压的距离有关[25]。　　用于起皱的有限元方法有两种：一种是具有完美结构的分叉分析，另外一种是具有初始非理想度的非分叉分析。对于第一种方法，它能够非常精确地预测起皱现象，但是分析过程复杂，而且需要一定的起皱判据；第二种方法的精确度受到初始非理想度的影响。Xu Weili[26]采用了一种简单的模拟起皱现象的方法：在接触算法中采用节点直接投影以及使用BHG(blankholder gap)，这种方法避免使用起皱判别准则，不需要复杂的塑性分叉理论以及坯料的初始非理想度。谢晖等人[27]从16个单元区域的起皱分析入手，用能量法计算，初步得到各单元的起皱临界因子，然后进一步进行区域搜索或选定区域计算，找到包含某单元最可能发生起皱的区域，得到能反映各单元起皱发生难易程度的起皱临界因子，并用云图将它描述出来，从而较精确、直观地预测起皱的发生。　　对不均匀拉应力下的起皱机理、起皱规律、影响起皱高度的因素、消皱措施等各国都进行了大量研究工作。但对剪应力下的起皱的研究还很少。崔令江[28]研究表明：(1)剪应力起皱实验中试样的起皱区长度越大，其抗剪应力起皱能力就越差；(2)板材的硬化指数n值和厚向异性系数r值越大，抗剪应力起皱的能力越强。　　6.2开裂　　开裂是由于材料的强度或塑性不足，当拉应力超过临界值时便会发生。开裂发生的位置主要在：凸模端部、侧壁、凸模圆角部位、法兰部分和拉伸筋部分[29]。由于开裂的影响因素也很多，因此到目前为止还没有十分精确的判断开裂的准则。对于开裂的判断现在用的比较多的主要还是成形极限图[30]：包括FLCN(forming limit curves at neck)以及FLCF(forming limit curves at fracture)；最大拉深率也是主要判据之一，Min Wan等人[31]结合了圆柱和圆锥杯形的内在联系，从理论上给出了圆锥杯形的极限拉深系数的判断公式。　　在有限元模拟上，人们一方面在探索新的模型，另一方面将现有的判断准则与有限元模拟结合起来进行研究。K.Komori[32]提出了一种节点分离的模型：将服从开裂准则的单元体和与它邻近的单元体共有的节点分离开来，也就是假设开裂沿着单元体的边界扩展；而一般的有限元模型中常常将服从开裂准则的单元直接删除，在一定程度上改变了材料本来的特性，导致模拟结果误差相对较大。Z.H.Chen等人[33]应用了混合有限元法(Mixed finite element method)，混合了位移和压力的有限元法，可以对板料成形中的不可压缩的塑性变形进行比较精确的模拟。而Ridha Hambli等人[34]用了一种反向技术的模型，可以识别开裂准则的临界值，从而将其应用于开裂模拟中，对研究开裂准则和开裂模拟都有很大的帮助。　　另外，由于摩擦力在板料成形过程常常充当为拉应力的一部分，所以摩擦和润滑也是研究开裂问题的主要方向之一。　　6.3回弹　　回弹是板料成形后不可避免的现象，回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹，当回弹量超过允许容差后，就成为成形缺陷，影响零件的几何精度。因此，回弹一直是影响、制约模具和产品质量的重要因素。早期的工作主要基于解析法对一些简单零件纯弯曲或拉弯成形的回弹进行分析[35]。Gardiner最早基于弯曲工程理论模型对理想弹塑性板弯曲的回弹问题进行了研究[36]。Hill[37]首先建立了板弯曲的精确数学理论，并对刚塑性宽板纯弯曲问题进行了研究。现在人们逐渐寻找一些新的研究回弹问题的模型，这样能够研究更多种因素。Lumin Geng[38]采用了一种新的各向不等硬化模型，并且将这种硬化模型和四个屈服公式用在了ABQUS中：von Mises、Hill二次方程式、Barlat三参量和Barlat1996。　　由于应用于板料成形的有限元方法的不断发展，人们逐渐对有限元模拟回弹进行了研究。由于回弹是成形的最后一步，成形过程模拟中产生的任何误差都会积累到回弹计算阶段；因此，回弹模拟结果的准确性很大程度上取决于成形过程的模拟精度。回弹问题的有限元模拟受到许多因素的影响：厚度方向积分点的数量、元素类型、网格大小、与凹模台肩处每个元素接触角度、惯性和接触算法的影响。不仅如此回弹还受到很多物理参量的影响：材料性质、硬化规则、摩擦系数、压边力(BHF)和卸载过程。K.P.Li[39]等人以及Luc Papeleux等人[40]利用有限元模拟的方法对影响板料回弹的物理参数和数值因素进行了详细的研究。Jenn-Terng Gau等人[41]在研究回弹问题时对包申格效应进行了不少研究。研究包申格效应普遍用单轴拉伸/压缩实验和循环扭曲实验。Jenn-Terng Gau等人研究发现两种相似的样品有相同的总的应变，却有完全不同的回弹效果。这是因为在应变区它们变形的历程不一样，包申格效应不仅与材料有关还与变形的历程有关。包申格效应对钢类材料影响不大对铝材影响较大。P.Xue等人[42]基于膜壳理论和能量方法研究发现弯曲半径越大回弹越大。　　在有限元算法上普遍采用显式算法计算成形过程，再用隐式算法计算回弹。由于影响因素较多，过程复杂，今后回弹仍将是板料成形研究的主攻方向之一。　　7展望　　板料成形的数值模拟经过20多年的研究已经有了很大的发展。在实际生产中往往由于零件所要求的变形程度超过了材料的一次成形所允许的最大变形程度，必须采用多道次拉深成形的方法。如何处理多道次拉深变形的分配，以及如何精确确定材料首次拉深后的性能参数是板料成形方面亟待解决的问题。另外由于板料成形模拟技术在汽车覆盖件方面的应用，如何精确模拟复杂曲面的成形过程也是大家正在研究的热点之一。今后板料成形的数值模拟研究还要注意以下几方面：　　1)进一步优化时间积分方案，能够将几种时间积分方案综合起来运用，各取所长。2)继续对摩擦行为进行研究，建立更合适的接触算法。3)优化各种本构关系，能够将成形极限图和有限元分析更好地结合起来。4)对缺陷问题还要深入研究，优化数值模拟模型。5)将有限元模拟系统和神经网络、自动控制等结合起来，形成大的分析系统。

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